物联网网关设计

物联网网关设计罗俊海1,2， 周应宾2，邓霄博21（电子科技大学电工学院，成都 611731 ）2（迈普通信技术股份有限公司，成都 610041）摘要: 关键词: 物联网；网关；泛在网; 信息物理系统Design for Gateway in Internet of ThingsJunhai luo1,2, Yingbin Zhou2, Xiaobo Deng2 1(University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu China 611731)2(Maipu Communication Technology Co. Ltd, Chengdu China 610041)Abstract: 基金项目：国家自然科学基金（61001086）作者简介：罗俊海Key Words: Internet of Things; Gateway; Ubiquitous Network; Cyber Physical Systems 1 网联网网关概述1.1 物联网网关背景物联网没有统一的定义标准，物联网是指RFID、红外感应器、GPS、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，实现任何时间、任何地点、任何物体进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网具有全面感知、可靠传输、智能处理特征的连接物理世界的网络。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。物联网的接入方式是多种多样的，物联网网关设备是最适合将多种接入手段整合起来，统一互联到接入网络的关键设备，网关可满足局部区域短距离通信的接入需求，实现与公共网络的连接，同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功能，而终端管理、安全认证等功能保证了物联网业务的质量和安全。物联网网关在未来的物联网时代将会扮演着非常重要的角色。网联网网关可以实现感知延伸网络与接入网络，以及不同类型感知延伸网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。物联网网关将广泛应用于智能家居、智能社区、数字医院、智能交通等各行各业。1.2 物联网网关功能1. 广泛的接入能力目前用于近程通信的技术标准很多，仅常见的WSNs技术就包括Lonworks、ZigBee、6LowPAN、RUBEE等。各类技术主要针对某一应用展开，之间缺乏兼容性和体系规划。现在国内、外已经在展开针对物联网网关进行标准化工作，如3GPP、传感器工作组，实现各种通信技术标准的互联互通。2. 可管理能力强大的管理能力，对于任何大型网络都是必不可少的。首先要对网关进行管理，如注册管理、权限管理、状态监管等。网关实现子网内的节点的管理，如获取节点的标识、状态、属性、能量等，以及远程实现唤醒、控制、诊断、升级和维护等。由于子网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所以网关具有的管理性能力不同。提出基于模块化物联网网关方式来管理不同的感知网络、不同的应用，保证能够使用统一的管理接口技术对末梢网络节点进行统一管理。3. 协议转换能力从不同的感知网络到接入网络的协议转换、将下层的标准格式的数据统一封装、保证不通的感知网络的协议能够变成统一的数据和信令；将上层下发的数据包解析成感知层协议可以识别的信令和控制指令。2 物联网网关应用框架物联网组网采用分层的通信系统架构，包括感知延伸系统、传输系统、业务运营管理系统和各种应用，在不同的层次上支持不同的通信协议，如图1所示。感知延伸系统包括感知和控制技术，由感知延伸层设备以及网关组成，支持包括Lonworks、UPnP、Zigbee等通信协议在内的多种感知延伸网络。感知设备可以通过多种接入技术连接到核心网，实现数据的远程传输。业务运营管理系统面向物联网范围内的耗能设施，包括了应用系统和业务管理支撑系统。应用系统为最终用户提供计量统计、远程测控、智能联动以及其他的扩展类型业务。业务管理支撑系统实现用户管理、安全、认证、授权、计费等功能。图 1 物联网网络架构3 物联网网关层次结构物联网网关支持感知延伸设备之间的多种通信协议和数据类型，实现多种感知延伸设备之间数据通信格式的转换，对上传的数据格式进行统一，同时对下达到感知延伸网络的采集或控制命令进行映射，产生符合具体设备通信协议的消息。物联网网关对感知延伸设备进行统一控制与管理，向上层屏蔽底层感知延伸网络的异构性，共分为四层,分别为业务服务层,标准消息构成层,协议适配层和感知延伸层，如图2所示。1. 业务服务层由消息接收模块和消息发送模块组成。消息接收模块负责接收来自物联网业务运营管理系统的标准消息,将消息传递给标准消息构成层。消息发送模块负责向业务运营管理系统可靠地传送感知延伸网络所采集的数据信息。该层接收与发送的消息必须符合标准的消息格式。2. 标准消息构成层由消息解析模块和消息转换模块组成。消息解析模块解析来自业务服务层的标准消息,调用消息转换模块将标准消息转换为底层感知延伸设备能够理解的依赖于具体设备通信协议的数据格式。当感知延伸层上传数据时,该层的消息解析模块则解析依赖于具体设备通信协议的消息,调用消息转换模块将其转换为业务服务层能够接收的标准格式的消息。消息构成层是物联网网关的核心,完成对标准消息以及依赖于特定感知延伸网络的消息的解析，并实现两者之间的相互转换,达到统一控制和管理底层感知延伸网络，向上屏蔽底层网络通信协议异构性的目的。3. 协议适配层协议适配层保证不同的感知延伸层协议能够通过此层变成格式统一的数据和控制信令。4. 感知延伸层此层面向底层感知延伸设备,包含消息发送与消息接收两个子模块。消息发送模块负责将经过消息构成层转换后的可被特定感知延伸设备理解的消息发送给底层设备。消息接收模块则接收来自底层设备的消息,发送至标准消息构成层进行解析。感知延伸网络由感知设备组成，包括射RFID、GPS、视频监控系统、各类型传感器等。感知延伸设备之间支持多种通信协议，可以组成Lonworks和Zigbee以及其他多种感知延伸网络。图3展示了物联网中信息交互流程，可以看出，物联网网关解决了物联网网络内不同设备无法统一控制和管理的问题，达到屏蔽底层通信差异的目的，并使得最终用户无需知道底层设备的具体通信细节，实现对不同感知延伸层设备的统一访问。 图 2 物联网网关层次结构 图 3 信息交互流程4 物联网网关设计4.1 硬件结构网关的总体结构如图 4 图所示，数据采集模块实现物理世界数据的采集或者汇聚，它可以是传感器网络的汇聚节点、RFID网络的阅读器、视频采集设备、GPS等。处理/存储模块是网关的核心模块，它实现协议转换、管理、安全等各个方面的数据处理及存储。接入模块将网关接入广域网，可能采用的方式包括有线（以太、ADSL、FTT等）、无线（WLAN、GPRS、3G、卫星等）。供电模块负责为网关供电，可能的供电方式包括市电、太阳能、蓄电池等。 图4 网关总体结构 图 5 软件模块化示意图在此，将数据采集模块和处理/存储模块之间的接口称为A接口，将接入模块和处理/存储模块之间的接口称为B接口。A接口的类型可能有UART（用得最多的方式）、RS232/RS485（如各种仪器、仪表）、SPI（直接对短距离RF模块进行操作时用）、USB（视频头）、Ethernet、AD总线等；B接口的类型可能有UART、USB、AD总线等。需要在开发过程中逐渐定义出A接口和B接口的规范及标准。4.2 软件结构网关的设计思路是以模块化的方式实现软硬件的各个部分，使得模块之间的替换非常容易。其中硬件模块采用总线形式（如UART、USB、PCI、本地总线等）进行连接，软件则采用模块化可加载的方式运行，并将共同部分抽象成公共模块，如图5所示。因此，支持新的数据汇聚模块和接入模块则只需要开发相应的硬件模块和驱动程序即可。另外，将处理过程中的数据进行统一，负载部分采用TLV（Type、Length、Value）的方式进行组织，如图 6所示。 图6数据处理方式5物联网网关DEMO版目前需要开发的DEMO系统整体结构如图7所示，无线传感器节点采集环境中的温度等信息，通过无线多跳自组织方式将数据发送到网关，固定式阅读器读取RFID标签内容发送到网关；网关将这些数据通过WCDMA网络发送到服务器；服务器对这些数据进行处理、存储，并提供一个信息平台，供用户（包括PC用户和手机用户）使用。通过实现这个DEMO系统，可以对物联网相关的关键技术进行研究。图 7 DEMO系统整体结构5.1 硬件组成1. RFID标签：RFID标签选择卡片式的，方便演示时使用。2. 固定式阅读器：固定式阅读器选择价格低廉、只有普通的读写卡功能的串口阅读器。3. 无线传感器节点：无线传感器节点选用目前支持IEEE 802.15.4标准的，可以支持ZigBee和6LoWPAN协议的节点。5.2 系统结构DEMO系统的网关结构如图8所示，固定阅读器和无线传感器节点通过RS232跟处理模块通信，WCDMA通信模块通过USB跟处理模块通信。 图 8 DEMO系统网关结构图 图9 基于ARM的处理模块结构处理模块目前考虑两种实现方式：（1）、采用PC机作为处理模块（2）、采用ARM处理器实现处理模块，其硬件结构如图9所示。服务器使用办公用的PC机即可。5.3 软件组成1. 无线传感器节点软件无线传感器节点软件基于单片机和C语言开发，在购买的无线传感器节点的代码基础上能很快完成。2. 网关软件网关软件采用Linux操作系统进行开发，其软件结构如图10所示。最底层为各硬件的驱动程序，在应用程序中实现协议转换、配置管理等应用程序。 图10 网关软件结构 图11 服务器软件结构需要实现的功能包括：l 无线传感器网络和RFID网络与WCDMA网络之间的协议转换，这里主要考虑的是各网络之间的数据包组织和转换；l 配置管理：利用Console、Telnet、Web几种方式可以对网关进行配置；3. 服务器软件服务器软件的结构如图11所示。通信模块负责收发数据，数据处理负责将Web/UI产生的数据进行组包或者将接收到的数据解包存储到数据库中。6 结束语物联网网关在物联网中起到关键作用。本文旨在研究一种能支持各种传感器网络及接入网络的异构性网关设备，它能支持不同类型的传感器节点（无线如Zi